Évaluation de l’impact des rejets urbains de temps de pluie sur le compartiment algal des écosystèmes aquatiques. Mise au point d’outils pour la surveillance des milieux récepteurs Yannis Ferro To cite this version: YannisFerro. Évaluationdel’impactdesrejetsurbainsdetempsdepluiesurlecompartimentalgaldes écosystèmes aquatiques. Mise au point d’outils pour la surveillance des milieux récepteurs. Ingénierie de l’environnement. INSA de Lyon, 2013. Français. NNT: 2013ISAL0091. tel-00994535v1 HAL Id: tel-00994535 https://theses.hal.science/tel-00994535v1 Submitted on 21 May 2014 (v1), last revised 27 Jun 2014 (v2) HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. N° d’ordre Année 2013 Thèse Evaluation de l’impact des rejets urbains de temps de pluie sur le compartiment algal des écosystèmes aquatiques Mise au point d’outils pour la surveillance des milieux récepteurs Présentée devant L’institut national des sciences appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale École doctorale : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés et Environnement) Spécialité : Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain Par Yannis FERRO (Ingénieur des Travaux Publics de l’Etat) Soutenue le 23 septembre 2013 devant la Commission d’examen Jury Directeurs de Thèse Yves Perrodin (LEHNA, ENTPE) Directeur de recherche, HDR Claude Durrieu (LEHNA, ENTPE) ITPE - Chercheur Rapporteurs Sara A. Bilmes (INQUIMAE, Univ. Buenos Aires) Professeur Valeria Mezzanotte (DISAT, Univ. Milano) Professeur Examinateurs Sylvie Barraud (LGCIE, INSA Lyon) Professeur Nicole Jaffrézic-Renault (ISA, Univ. Lyon 1) Directeur de recherche, HDR Marie Christine Gromaire (LEESU, ENPC) Chargée de recherche, HDR Canh Tran-Minh Professeur honoraire Cette thèse a été réalisée au sein de l’équipe « Impact des Polluants sur les Ecosystèmes » du Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés sur le site de l’Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat (Vaulx en Velin) INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales – Quinquennal 2011-2015 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN http://www.edchimie-lyon.fr Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE CHIMIE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Insa : R. GOURDON Tél : 04.72.43 13 95 [email protected] ELECTRONIQUE, M. Gérard SCORLETTI ELECTROTECHNIQUE, Ecole Centrale de Lyon AUTOMATIQUE 36 avenue Guy de Collongue E.E.A. http://edeea.ec-lyon.fr 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 65 55 Fax : 04 78 43 37 17 Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN [email protected] [email protected] EVOLUTION, ECOSYSTEME, Mme Gudrun BORNETTE MICROBIOLOGIE, MODELISATION CNRS UMR 5023 LEHNA http://e2m2.universite-lyon.fr Université Claude Bernard Lyon 1 Bât Forel E2M2 Insa : H. CHARLES 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 06.07.53.89.13 e2m2@ univ-lyon1.fr INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- M. Didier REVEL SANTE Hôpital Louis Pradel http://www.ediss-lyon.fr Bâtiment Central EDISS 28 Avenue Doyen Lépine Sec : Samia VUILLERMOZ 69677 BRON Insa : M. LAGARDE Tél : 04.72.68.49.09 Fax :04 72 68 49 16 [email protected] INFORMATIQUE ET Mme Sylvie CALABRETTO MATHEMATIQUES Université Claude Bernard Lyon 1 http://infomaths.univ-lyon1.fr INFOMATHS Bâtiment Braconnier INFOMATHS 43 bd du 11 novembre 1918 Sec :Renée EL MELHEM 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72. 44.82.94 Fax 04 72 43 16 87 [email protected] M. Jean-Yves BUFFIERE MATERIAUX DE LYON http://ed34.universite-lyon.fr INSA de Lyon MATEIS Bâtiment Saint Exupéry Matériaux Secrétariat : M. LABOUNE 7 avenue Jean Capelle PM : 71.70 –Fax : 87.12 69621 VILLEURBANNE Cedex Bat. Saint Exupéry Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 [email protected] [email protected] MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE M. Philippe BOISSE CIVIL, ACOUSTIQUE INSA de Lyon http://mega.ec-lyon.fr Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard MEGA Secrétariat : M. LABOUNE 25 bis avenue Jean Capelle PM : 71.70 –Fax : 87.12 69621 VILLEURBANNE Cedex Bat. Saint Exupéry Tél :04.72 .43.71.70 Fax : 04 72 43 72 37 [email protected] [email protected] ScSo* M. OBADIA Lionel http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/ Université Lyon 2 86 rue Pasteur ScSo* Sec : Viviane POLSINELLI 69365 LYON Cedex 07 Brigitte DUBOIS Tél : 04.78.77.23.86 Fax : 04.37.28.04.48 Insa : J.Y. TOUSSAINT [email protected] *ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie A ma famille, Remerciements Remerciements Mes plus sincères remerciements vont tout d’abord à toute l’équipe du LEHNA : - Yves Perrodin directeur de thèse et directeur de l’équipe IPE du LEHNA pour m’avoir accueilli au sein de son équipe, pour mon master et cette thèse de doctorat ; - Claude Durrieu directrice de thèse pour son encadrement sans faille, ses précieux conseils et son soutien au laboratoire comme à la ville ; - Jean Philippe Bedell maître de stage lors de mon master qui m’a transmis sa passion pour la recherche et m’a donné l’envie de faire cette thèse ; - Les chercheurs (Jean Philippe, Laurent, Raphael, Thierry, Cécile, Laurence, Gwenaël, Brice, Alain, Sylvie, Claude et Yves), l’équipe technique (Marc, Xavier, Lydie, Thérèse et Myriam) et Alicia Naveros, sans oublier les doctorants du LEHNA (Lebinh, Dieuseul, Morgane, Aude, Raphael, Frédéric, Erije, Adriana, Monique) pour leurs précieux conseils scientifiques, leur disponibilité et leur bonne humeur à toutes et à tous au long de ces 3 années. Surtout ne changez rien ! ; Je souhaite également remercier : - Nicole Jaffrézic-Renault (Univ Lyon 1), Sylvie Barraud (INSA) et Céline Chouteau (CETE Nord Picardie) pour le suivi scientifique de cette thèse ; - La direction de la recherche de l’ENTPE (Luc Delattre, Francette Pignard et Sonia Cenille) pour leur soutien aux doctorants de l’école ; - Le Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable, l’ONEMA et la FR41 BioEnvironnement et Santé pour le soutien financier de ce travail ; - Le Grand Lyon pour le soutien technique sur les sites d’étude ; - L’OTHU et en particulier Sylvie Barraud sa directrice, pour le soutien financier, scientifique et technique ; Mais également tous ceux et toutes celles qui ont contribué à la réussite de ce travail : - Serge-Etienne Parent pour son aide dans le traitement statistique des données ; - Konrad Chmielewski pour le développement de l’interface de contrôle de la prise programmable via port Ethernet ; - Franck Frémion ; - Slah Hidouri ; - Cécile Dujardin ; - Damien Dambre ; - Warren Lassey pour leur apport à cette thèse au cours de leur stage ; Sans oublier les doctorants gourmands (Antoine, Félix et Robin) toujours là quand il faut, dans les bons comme les mauvais moments, ainsi que toute l’ALD²ENTPE pour les futals du vendredi, les mots fléchés et les discussions scientifiques de haute volée ; D’un point de vue plus personnel, je souhaite remercier toute ma famille avec une pensée toute particulière pour ma maman ainsi que ma Kroukrou qui a presque réussi à me supporter ces 3 années ! D'une façon générale cette thèse est dédicacée à l’ensemble des professionnels du secteur de l’eau et de l’assainissement ainsi que de la métrologie avec qui mes rapports furent aussi divers qu'enrichissants. Yannis Ferro – Thèse en Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain – INSA de Lyon 5 Résumé Evaluation de l’impact des rejets urbains de temps de pluie sur le compartiment algal et mise au point d’outils pour la surveillance des milieux récepteurs La gestion des eaux pluviales constitue un défi important à relever dans les villes du monde entier : aujourd’hui on ne compte plus les problèmes d’inondation et de pollution, problèmes chroniques qui tendent à s’amplifier à mesure que l’urbanisation grandit. Une gestion durable de ces eaux est au cœur des enjeux du XXIe siècle et afin de répondre à ces problèmes le Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable a engagé une opération de recherche. Parmi les problèmes posés par les eaux pluviales notre étude se focalise sur les rejets urbains de temps de pluie (RUTP). Ces rejets constituent un apport important et imprévisible de nombreux polluants pour les masses d’eaux réceptrices. La pollution des RUTP est étudiée depuis de nombreuses années et, alors que les connaissances en la matière s’affinent, il n’existe à l’heure actuelle aucune étude de grande ampleur permettant d’identifier l’impact des RUTP sur les écosystèmes récepteurs. Notre travail a consisté à étudier l’impact environnemental de différents échantillons de RUTP collectés sur 3 sites d’assainissement pluvial de l’agglomération lyonnaise. Nous avons utilisé pour cela des bioindicateurs pertinents, les microalgues d’eau douce, organismes unicellulaires à la base des chaînes trophiques et très sensibles aux polluants présents dans les RUTP. Nous avons réalisé des bioessais écotoxicologiques connus de la littérature et contribué au développement de nouveaux indicateurs de toxicité. De plus nous avons cherché à adapter ces bioessais pour permettre leur utilisation sur le terrain. En parallèle nous avons travaillé à l’amélioration d’un biocapteur enzymatique à cellules algales. Nous avons évalué ses performances sur les échantillons de RUTP et nous avons ensuite construit une station de mesure automatisée afin de réaliser des mesures directement sur les sites d’assainissement (on line monitoring). Ce travail contribue à mettrre en évidence l’impact des RUTP sur le milieu récepteur tout en confirmant le caractére hétérogène des rejets. Mots-Clés: RUTP ; bioessais ; biocapteurs ; microalgues ; activités enzymatiques ; fluorescence chlorophylienne ; sol-gel ; écotoxicologie Yannis Ferro – Thèse en Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain – INSA de Lyon 6 Abstract Assessment of the impacts of urban wet weather effluents on algae compartment and development of systems for receiving water bodies assessment The stormwater management constitutes an important challenge for cities around the world: today there are countless problems of flooding and pollution, chronic problems that tend to amplify as urbanization grows. Sustainable management of these waters is at the heart of defies of the twenty-first century and to address these problems the Ministry of Ecology and Sustainable Development has launched a research operation. Among problems posed by stormwater, our study focuses on urban wet weather discharges (UWWD). These releases are an important and unpredictable contribution of many pollutants to the receiving water bodies. UWWD's pollution has been studied for many years and, while knowledge in the field matures, there is at present no large-scale study to identify the impact of UWWD on the receiving ecosystems. Our work consist in studying the impact of different UWWD samples collected at 3 storm sanitation sites of Lyon on the environment. We have relevant bioindicators, freshwater microalgae, unicellular organisms at the base of the trophic chain and very sensitive to pollutants present in the UWWD. We have undertaken ecotoxicological bioassays known from the literature and contributed to the development of new indicators of toxicity. Furthermore, we seek to adapt these bioassays to allow their use in the field. In parallel, we have worked to improve an enzyme biosensor algal cell. We evaluated its performances on samples of UWWD and then we built an automated measuring station to make measurements directly on the remediation site (online monitoring). Key words: urban wet weather discharges; stormwater; runoff; rain water; bioassays; biosensors; microalgae; enzymatic activities; chlorophyll fluorescence; sol-gel; ecotoxicology Yannis Ferro – Thèse en Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain – INSA de Lyon 7 Table des matières Table des matières Remerciements .............................................................................................................................................. 5 Table des matières ........................................................................................................................................ 8 Liste des publications .................................................................................................................................. 11 Liste des abréviations .................................................................................................................................. 12 Liste des tableaux ........................................................................................................................................ 14 Liste des figures ........................................................................................................................................... 17 Introduction générale ..................................................................................................... 21 Partie A : Etude bibliographique ...................................................................................... 23 1 La gestion des eaux pluviales en ville .............................................................................. 24 1.1 Historique ........................................................................................................................................... 24 1.2 Outils juridiques et réglementaires en vigueur .................................................................................. 26 1.3 Les solutions techniques modernes ................................................................................................... 33 2 Caractéristiques physicochimiques des RUTP .................................................................. 40 2.1 Origine des contaminants .................................................................................................................. 40 2.2 Transfert des polluants ...................................................................................................................... 43 2.3 Composition physicochimique des RUTP ........................................................................................... 44 2.4 Composition bactériologique des RUTP ............................................................................................. 54 3 Impact écologique des RUTP sur les écosystèmes aquatiques .......................................... 56 3.1 La notion d’impact ............................................................................................................................. 56 3.2 La notion de masse d’eau .................................................................................................................. 56 3.3 Impact sur les masses d’eau .............................................................................................................. 57 4 Outils d’évaluation de l’impact écologique ...................................................................... 64 4.1 Caractérisation des effets .................................................................................................................. 64 4.2 Les bioessais écotoxicologiques au laboratoire ................................................................................. 66 4.3 Les biocapteurs pour des essais de terrain ........................................................................................ 74 Résumé du chapitre 4 .................................................................................................................................. 87 Bilan de l’étude bibliographique ............................................................................................. 88 Partie B : Démarche expérimentale ................................................................................. 89 5 Description des sites et du matériel d’étude ................................................................... 90 5.1 Critères de choix ................................................................................................................................ 90 5.2 Le déversoir d’orage d’Ecully ............................................................................................................. 91 5.3 Les bassins d’infiltration et de rétention des eaux ............................................................................ 92 5.4 Protocole d’échantillonnage .............................................................................................................. 96 5.5 Protocole d’analyse ............................................................................................................................ 96 5.6 Bilan des prélèvements et analyses ................................................................................................... 97 6 Bioessais ........................................................................................................................ 99 6.1 Matériel biologique ............................................................................................................................ 99 6.2 Réactifs utilisés................................................................................................................................... 99 6.3 Bioessais sur algues libres ................................................................................................................ 100 7 Biocapteurs ................................................................................................................... 104 7.1 Mesures conductimétriques ............................................................................................................ 104 7.2 Dosage de l’oxygène ........................................................................................................................ 107 7.3 Suivie de la fluorescence .................................................................................................................. 111 8 Poste de mesures sur site .............................................................................................. 114 Yannis Ferro – Thèse en Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain – INSA de Lyon 8 Table des matières 9 Analyse statistique ........................................................................................................ 116 9.1 Logiciel ............................................................................................................................................. 116 9.2 Données sources .............................................................................................................................. 116 9.3 Méthodes exploratoires ................................................................................................................... 118 Partie C : Résultats ......................................................................................................... 121 10 Analyse physicochimique des échantillons ..................................................................... 123 10.1 Description des événements étudiés .......................................................................................... 123 10.2 Substances nutritives .................................................................................................................. 124 10.3 Eléments traces métalliques ....................................................................................................... 126 10.4 Micropolluants organiques ......................................................................................................... 128 Conclusion ................................................................................................................................................. 132 11 Evaluation de l’écotoxicité des effluents prélevés........................................................... 133 11.1 Activités enzymatiques sur algues libres ..................................................................................... 133 11.2 Efficacité photosynthétique ........................................................................................................ 139 11.3 Croissance cellulaire .................................................................................................................... 141 11.4 Traitement statistique des données............................................................................................ 146 11.5 Bilan des essais réalisés au laboratoire ....................................................................................... 157 Conclusion ................................................................................................................................................. 159 12 Développement des biocapteurs .................................................................................... 160 12.1 Activités enzymatiques en biocapteurs ....................................................................................... 160 12.2 Capteur à oxygène....................................................................................................................... 164 12.3 Capteur à fluorescence ............................................................................................................... 173 Conclusion ................................................................................................................................................. 181 13 Une station autonome pour les mesures de terrain ........................................................ 182 13.1 Solutions techniques ................................................................................................................... 182 13.2 Fonctionnement global ............................................................................................................... 186 13.3 Premiers essais sur site ............................................................................................................... 187 13.4 Synthèse ...................................................................................................................................... 188 Conclusion ................................................................................................................................................. 188 Partie D : Discussion générale ........................................................................................ 189 14 Discussion de la méthode .............................................................................................. 190 14.1 Caractérisation des échantillons ................................................................................................. 190 14.2 Evaluation de la toxicité grâce aux bioessais .............................................................................. 191 14.3 Developpement de biocapteurs .................................................................................................. 192 14.4 Une station de mesures pour le terrain ...................................................................................... 193 15 Discussion des résultats ................................................................................................. 194 15.1 Résultats d’analyse ...................................................................................................................... 194 15.2 Résultats des bioessais ................................................................................................................ 194 15.3 Développement des biocapteurs ................................................................................................ 199 15.4 Les mesures réalisée sur le terrain .............................................................................................. 200 Recommandations ................................................................................................................ 201 Pour une meilleure gestion des RUTP ....................................................................................................... 201 Pour une meilleure surveillance environnementale ................................................................................. 202 Partie E : Conclusion générale et perspectives ................................................................ 203 Conclusion générale .............................................................................................................. 204 Typologie des rejets urbains ...................................................................................................................... 204 Impacts écologiques des rejets urbains pour le milieu récepteur ............................................................. 204 Les outils de terrain ................................................................................................................................... 205 Perspectives .......................................................................................................................... 206 Yannis Ferro – Thèse en Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain – INSA de Lyon 9
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